The role of contaminations in the interaction of highly charged ions with 2D materials

Abstract

Kontaminationen auf zweidimensionalen Materialien können elektronische, optische oder mechanische Eigenschaften des Materials beeinflussen oder sogar dominieren. Wir nutzen hochgeladene Xenonionen als Projektile für Ionenspektroskopie, die durch freistehende 2D-Materialien transmittiert werden. Dabei studieren wir fundamentale Ladungsaustauschprozesse zwischen dem Ion und der Probe. Wir verwenden eine Elektronenstrahlionenquelle (electron beam ion source, EBIS), um Ionen mit Ladungszuständen im Bereich Xe1+- Xe44+ zu produzieren, die mit einstellbarer kinetischer Energie (1-400 keV) aus der Ionenquelle extrahiert werden. Die Projektile werden dann durch freistehende 2D-Materialien transmittiert und fangen sowie stabilisieren bei der Wechselwirkung Elektronen. Wir messen den Austrittsladungszustand der Primärionen nach Transmission durch die Probe in Koinzidenz mit Elektronen, die bei der Wechselwirkung vom Material emittiert werden. Zusätzlich nehmen wir die Flugzeit der Xenonionen von der Position der Probe bis zu einem Detektor auf, um Informationen über deren Energieverlust im Material zu erlangen. Sowohl der Austrittsladungszustand als auch der Energieverlust hängen kritisch von der Materialdicke ab und werden von Kontaminationen auf beiden Seiten des 2D-Materials beeinflusst. Um sicherzugehen, dass unsere zweidimensionalen Proben sauber sind und dass der Ausgangsladungszustand des Projektils sowie die detektierte Elektronenemissionsausbeute vom 2D-Material dominiert sind und nicht von Kontaminationen (wie z.B. Wasser, Kohlenwasser- stoffe, PMMA), versuche ich mit verschiedenen Möglichkeiten unsere Proben zu reinigen: die Verwendung von einem Heizdraht und von einem Laser (445 nm, 6 W) verlagert den Ausgangsladungszustand zu höheren und die Flugzeit zu kleineren Werten und erzeugt somit saubere(re) Proben. Ich zeige, dass ich gut gereinigte Probenzustände erreiche, die zumindest mithilfe unserer Möglichkeiten nicht mehr verbessert werden können. Messungen mit gereinigten Proben von Mono-, Bi- und Trilagengraphen werden am Ende dieser Arbeit in Bezug auf Streuwinkel, Ladungsaustausch und Neutralisationszeiten von hochgeladenen Xenonionen jeweils in Abhängigkeit der Graphenlagen diskutiert.

Contaminations on two dimensional materials can influence electronic, optical and mechanical material properties or even dominate them. We perform ion beam spectroscopy with highly charged ions as projectiles transmitted through free-standing 2D materials to study fundamental charge exchange processes between the ion and the sample. We employ an electron beam ion source to produce ions with charge states in the range of Xe1+ to Xe44+ which can be extracted from the source with tunable kinetic energies (1-400 keV). The projectiles are transmitted through the free-standing 2D materials and capture as well as stabilise electrons due to the interaction. We measure the exit charge state of the primary ions after transmission in coincidence with emitted electrons from the sample due to the ion impact. Additionally, we record the time of flight of Xe ions from the target position to the detector to gain information on their energy loss in the sample. Both, exit charge state and energy loss critically depend on the sample thickness and will be influenced by contaminations on either side of the two dimensional materials. To aim at reaching a clean 2D sample so that the projectile exit charge state and the measured electron emission yields are dominated by the 2D layer rather than by contaminations (e.g. water molecules, hydrocarbons, PMMA) I try different ways to clean our samples: employing a heating wire as well as a laser (445 nm, 6 W) creates clean(er) samples and shifts the exit charge state to higher and the time of flight to lower values. I show that I achieve a cleaned target state which I at least cannot further improve with the methods at hand. Measurements using cleaned single, bi- and trilayer graphene samples are discussed in the end of this thesis with respect to charge exchange in dependence of the number of graphene layers, scattering angles and neutralisation times of highly charged Xe ions transmitted through these samples.